螺旋面磨料流光整加工仿真與試驗

高　航, 付有志, 王宣平, 彭　燦

(大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧 大連 116024)

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螺旋面磨料流光整加工仿真與試驗

高航, 付有志, 王宣平, 彭燦

(大連理工大學 精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧 大連 116024)

摘要:針對難加工復雜螺旋面光整加工成本高及質量難保證等問題,提出基于磨料流加工技術的螺旋面光整加工方法. 通過建立有無螺旋引流段的“夾具-螺桿”仿真模型,對比分析2種模型中螺旋面磨料介質流場分布規(guī)律,優(yōu)選出適用于螺旋面均勻化光整加工的夾具結構,在此基礎上開展擠壓螺桿的磨料流加工與砂帶磨削對比試驗. 結果表明：磨料介質靜壓力沿流動方向逐漸減小,且等值線近似沿螺旋槽寬度方向分布；增加螺旋引流段后螺旋面進出口回流區(qū)被消除,提高流場均勻性；磨料流加工后螺旋表面粗糙度由10.5 μm降為0.45 μm,螺旋槽最小直徑一致性好,且加工質量和效率優(yōu)于人工砂帶磨削.

關鍵詞：螺旋面; 擠壓螺桿; 磨料流加工(AFM); 數(shù)值模擬; 表面質量

螺桿壓縮機和單/雙螺桿造粒機是以螺桿螺旋面為物質輸運功能表面的影響國民經(jīng)濟生產的重要裝備[1-2]. 螺桿運轉時物料與螺桿螺旋面發(fā)生強烈的剪切作用,對螺旋面產生侵蝕,導致螺旋表面質量惡化. 在實際應用中,螺桿常采用高強度、耐磨損和耐腐蝕材料,如38CrMoAlA、40Cr、34CrAINi7和CrMoV9等,且要求螺旋面具有較高的加工質量. Lawal等[3-5]研究發(fā)現(xiàn)：黏彈性物料擠壓通過流道時,擠壓面的表面粗糙度影響了物料的滑移特性. 為此,螺桿螺旋面在表面硬化處理后表面粗糙度需小于0.8 μm,提高擠出效率,有利于提高螺桿的使用壽命. 因此,提高復雜難加工螺桿螺旋面加工質量是提高擠出效率和螺桿壽命的關鍵．

國內外多采用車削、滾削和銑削等加工螺桿螺旋面[6-8],但成形后螺旋表面質量難于滿足螺桿使役要求,光整加工成為后續(xù)不可缺少的工序. Wei 等[9]利用立方氮化硼(Cubic Boron nitride, CBN)砂輪磨削螺旋面,建立了砂輪型面方程和修正模型,實現(xiàn)了螺旋面的磨削,表面粗糙度為0.5～0.65 μm. 若采用螺紋磨床、專用數(shù)控砂帶拋光機和多軸數(shù)控機床等對螺桿螺旋面進行磨削,能夠有效提高加工效率和質量,但設備昂貴,且對尺寸變化范圍大的螺桿適應性較差[10],國內常用手動砂帶磨削螺桿螺旋面,加工質量難保證,且生產環(huán)境惡劣. 因此,根據(jù)螺桿結構和服役要求,本文提出將磨料流加工技術應用于螺桿螺旋面的光整加工．

磨料流加工(abrasive flow machining, AFM)是以黏彈性磨料介質為拋光工具的柔性光整加工技術,在夾具約束下具有高加工可達性,易實現(xiàn)復雜螺旋表面的無死角光整加工. 國內外學者研究了磨料流加工工藝參數(shù)[11]、磨料介質配方[12]和磨料介質滑移特性[13]等,掌握了磨料流加工材料去除機理及工藝參數(shù)對加工特性的影響規(guī)律. 計時鳴等[14-15]提出軟性磨粒流加工技術,分析了弱黏性磨粒流流場分布及材料去除機理. Wang等[16]用CFD-ACE+軟件研究螺旋約束流道內磨料介質流動特性發(fā)現(xiàn)增加螺旋約束后流道內磨料介質徑向剪切力增大,提高了粗糙度均勻性. 然而,尚無關于螺桿螺旋面磨料流加工可行性及均勻性的文獻報道．

本文以造粒機擠壓螺桿為研究對象,基于計算流體力學理論,建立了“夾具-螺桿”磨料介質流動仿真模型,分析了磨料介質在螺旋表面的動力學特性,設計了提高螺旋面加工均勻性的磨料流專用夾具；開展了擠壓螺桿磨料流加工試驗,對比分析了砂帶磨削和磨料流加工的螺旋表面質量和加工效率. 這些研究成果將為復雜難加工高質量螺旋面的磨料流光整加工提供理論基礎與試驗支撐．

1磨料介質動力學特性仿真分析

1.1磨料介質控制方程

磨料流加工過程中磨料介質在上下活塞的擠推下往復通過待加工表面(如圖1(a)～(c)所示). 磨料介質是高分子聚合物與磨粒的混合物,黏彈性聚合物基體驅動磨?；粱驖L壓待加工表面,實現(xiàn)待加工表面材料微量去除,如圖1(d)所示．

圖1　磨料流加工示意圖Fig.1　Schematic diagram of abrasive flow machining

磨料介質被擠推通過“夾具-螺桿”流道時表現(xiàn)出良好的流動性,且壓縮性小,因此,可將磨料介質視為不可壓縮連續(xù)流體介質,滿足式(1)和(2)所示的質量守恒方程和動量守恒方程[17]：

(1)

(2)式中: ρ、p、ν和Fi分別為流體密度、靜壓力、運動黏度和質量力,ui、uj分別為流體在笛卡爾坐標分量xi、xj方向的速度(其中i, j=1, 2, 3),t為時間．

(3)

為使時均化后的控制方程封閉,需獲得式(3)中渦團黏度的湍動能k和湍流耗散率ε,標準k-ε湍流模型是一種常用的封閉方程,其數(shù)學描述如下[19]：

Gk+Gb-ε-YM+Sk.

(4)

(5)

式中: Gk為平均速度梯度導致的湍動能,Gb為浮力產生的湍動能,YM為整體耗散率,C1ε、C2ε、C3ε均為常數(shù),Sk和Sε為源項,C1ε=1.44、C2ε=1.92、Cμ=0.09、σk=1.0、σε=1.3，σk為k的湍流普朗特數(shù)，σε為ε的湍流普朗特數(shù). 通過聯(lián)合求解式(1)、(2)、(3)、(4)和(5),即可獲得磨料介質的流場特性．

1.2仿真幾何模型及邊界條件

如圖2所示為常用螺桿結構實物圖,如圖3(a)所示為雙頭螺旋面擠壓螺桿示意圖,圖中虛線為需光整加工的螺旋面. 擠壓螺桿工作時物料是沿螺旋槽方向運動,若磨料流加工痕跡與物料輸運路徑一致,則有利于降低物料運行阻力,提高設備擠出效率. 因此,設計的用于擠壓螺桿磨料流加工夾具如圖3(b)所示,擠壓螺桿放入外套筒內,兩端通過壓板固定,壓板上加工出磨料介質流動通道,圖中陰影區(qū)為磨料介質進入“夾具-螺桿”流道的進出口,磨料介質在螺旋面流動如圖3(a)中箭頭所示. 構建“夾具-螺桿”流道仿真幾何模型并利用四面體/混合網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分,如圖4所示,網(wǎng)格大小為1．

圖2　造粒機和壓縮機的螺桿結構Fig.2　Structures of screw in extruder and compressor

圖3　擠壓螺桿結構和夾具示意圖Fig.3　Schematic diagram of extrusion screw and its fixture

圖4　仿真模型及網(wǎng)格劃分Fig. 4　Simulation model and its mesh grid

仿真采用壓力入口和壓力出口,選擇標準壁面無滑移函數(shù),利用Simple壓力-速度耦合求解器對時間和空間離散化后的擠壓螺桿仿真模型流場進行求解. 由于上下推料過程參數(shù)一致,兩過程中磨料介質在螺旋表面的流場分布相同,故本文僅對上推料流場特性進行仿真分析. 仿真參數(shù)如表1所示,其中pin、pout、DH、I、μ和ρ分別為擠推壓力、背壓、水力直徑、湍流強度、介質動力黏度和密度．

表1擠壓螺桿仿真邊界條件

Tab.1Boundary conditions for numerical simulation of extrusion screw

pin/MPapout/MPaDH/mmI/%μ/(Pa·s)ρ/(kg·m-3)4.5062125001461.89

1.3仿真結果與分析

如圖5(a)所示為磨料介質由下往上流動時螺旋面上的靜壓力ps分布規(guī)律,磨料介質在流道入口處壓力最大,沿流動方向逐漸減小,由于無背壓,在擠壓螺桿出口處靜壓力為0；靜壓力等值線近似沿螺旋槽寬度方向,如圖5(b)所示為螺旋槽寬度方向監(jiān)測線(圖5(a)所示)的靜壓力變化,最大靜壓力差Δps | max=0.058 MPa,此靜壓力差不會導致明顯的加工差異性,利于保證螺旋槽寬度方向材料去除均勻性．

圖5　無引流段時螺旋面靜壓力分布Fig.5　Distribution of static pressure on screw surface without guide block

如圖6(a)所示為擠壓螺桿單個螺旋面上磨料介質流線分布,磨料介質流線沿螺旋槽方向均勻分布,且與螺旋槽方向一致,可產生利于減阻的微觀表面；沿螺旋槽寬度方向流線密度一致性較好. 當磨料介質由上往下運動時,螺旋面靜壓力分布與磨料介質由下往上運動時對稱分布,將兩過程靜壓力疊加后螺旋面靜壓力將呈現(xiàn)均勻化分布,因此,磨料流加工擠壓螺桿表面時螺旋面加工質量均勻性較好．

圖6　無引流段時螺旋面上磨料介質流線Fig.6　Streamline of abrasive media on screw surface without guide block

由圖6(a)可見,磨料介質在螺旋面入口和出口區(qū)存在磨料介質回流現(xiàn)象,回流區(qū)磨料介質流動特性減弱,削弱加工效果,回流區(qū)螺旋面表面紋理圖6(b)所示,圖中條狀成形刀痕尚未完全去除,而此時螺旋面中心區(qū)域的刀痕已經(jīng)完全去除. 另外,磨料介質對“夾具-螺桿”流腔入口的直接沖擊易導致螺桿端面邊緣的過量磨損,產生邊緣過拋,如圖7(a1)、(a2)所示. 為此,作者提出一種適用于擠壓螺桿磨料流加工專用夾具改進方案：增加螺旋引流段,該引流段螺紋參數(shù)與所加工的擠壓螺桿相同,如圖7(c)所示,目的在于將回流區(qū)轉移至螺旋引流段,并減少磨料介質對擠壓螺桿上下端面的直接沖擊．

圖7　磨料流加工夾具改進設計Fig.7　Improved design of fixture for AFM process

如圖8、9所示為增加螺旋引流段后螺旋表面靜壓力和流線分布圖,由圖可知,增加螺旋引流段后試驗件螺旋面靜壓力相比之前有所降低,但靜壓力等值線分布形式未改變,且磨料介質流線分布與未設置螺旋引流段相同,所以增加螺旋引流段不會影響螺旋面中間區(qū)域的加工均勻性. 然而,未增加螺旋引流段出現(xiàn)在進出口處的回流區(qū)已全部轉移至引流段,且消除了磨料介質對擠壓螺桿端面的直接沖擊,提高了擠壓螺桿螺旋面的加工質量一致性．

圖8　增加引流段后螺旋面靜壓力分布Fig.8　Distribution of static pressure on screw surface with guide blocks

圖9　增加引流段后螺旋面上磨料介質流線Fig. 9　Streamline of abrasive media on screw surface with guide blocks

2擠壓螺桿磨料流加工試驗

2.1試驗系統(tǒng)與工藝參數(shù)

基于數(shù)值模擬結果,設計了具有螺旋引流段的擠壓螺桿磨料流加工專用夾具,利用課題組研制的磨料流加工設備和磨料介質開展了磨料流加工試驗. 試驗設備如圖10所示,該設備包括液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng). 機械系統(tǒng)完成夾具的夾持和上下料缸的推料過程；液壓系統(tǒng)則為夾緊缸、推料缸提供所需的液壓力；電氣控制系統(tǒng)則主要為上下料缸提供換向信號,并記錄循環(huán)次數(shù)和加工壓力．

圖10　磨料流加工設備Fig.10　AFM machine

擠壓螺桿所用材料為：W6Mo5Cr4V2高速鋼,成形加工后進行調質處理,硬度HB為250-280,表面粗糙度Ra為10.5 μm. 利用磨料流加工技術對此擠壓螺桿進行光整加工時,由于螺旋面初始表面質量差,加工痕跡明顯,需要使用較大擠推壓力和粗磨粒才能夠去除原始加工痕跡,詳細的磨料流加工工藝參數(shù)如表2所示,加工時間t=40 min．

表2　擠壓螺桿磨料流加工工藝參數(shù)

2.2試驗結果與分析

為了解磨料流加工的螺旋面質量和加工效率,本文將磨料流加工擠壓螺桿和企業(yè)人工砂帶磨削擠壓螺桿的螺旋面光整加工質量和加工效率進行對比. 用于對比的砂帶磨削擠壓螺桿是由某企業(yè)熟練工人利用其成熟砂帶磨削工藝完成,所用的砂帶表面磨粒代號為P60 (粒徑約250 μm)．

如圖11所示為擠壓螺桿初始表面以及砂帶磨削和磨料流加工后螺旋面的表面粗糙度Ra及標準差σ變化規(guī)律(其中σ反映了螺旋面表面粗糙度的離散程度,即加工后螺旋面表面粗糙度的均勻性). 擠壓螺桿成形加工后螺旋面平均粗糙度Ra約10.5 μm,且整個表面粗糙度值分布比較分散；經(jīng)過砂帶磨削之后,表面粗糙度Ra降為1 μm左右,均勻性大幅度提高；經(jīng)過磨料流加工后螺旋面粗糙度Ra降為0.45 μm左右,且相比于砂帶磨削,表面粗糙度均勻性進一步提高．

圖11　砂帶與磨料流拋光后表面粗糙度變化Fig.11　Surface roughness of screw surface after different machining processes

如圖12所示為初始表面、砂帶磨削和磨料流加工后螺旋面表面粗糙度輪廓變化,其中L為取樣長度,Am為表面粗糙度輪廓振幅. 如圖13所示為不同加工方法獲得的擠壓螺桿整體效果和表面微觀形貌. 經(jīng)成形加工后的螺旋表面凹凸不平,波紋狀刀痕尺度大,嚴重影響物料在螺旋面的輸運和擠壓螺桿的使用壽命；砂帶磨削的螺旋表面初始刀痕被完全去除,表面粗糙度輪廓大幅下降,但螺旋表面出現(xiàn)明顯的砂帶磨削痕跡(如圖13(b)所示),表面質量仍需進一步提高；磨料流加工后的螺旋表面粗糙度輪廓比砂帶磨削表面更平滑,表面微觀凸起尺度顯著小于砂帶磨削表面(如圖13(c)所示),且滑擦痕跡均勻,利于物料的順暢輸運．

圖12　螺旋面粗糙度輪廓變化Fig.12　Surface profile of screw surface after different machining processes

圖13　不同加工方法獲得的擠壓螺桿實物與表面微觀形貌Fig.13　Extrusion screw and its surface topography after different machining processes

圖14　擠壓螺桿最小直徑變化曲線Fig.14　Minimum diameter of extrusion screw before and after AFM process

如圖14所示為磨料流拋光前后擠壓螺桿螺旋面最小直徑Dmin變化,拋光前后最小直徑均勻變化,并且沿擠壓螺桿長度方向Dmin無明顯差異性,說明磨料流加工過程中磨料介質是均勻作用于螺旋面,從而產生較為一致的材料去除．

本文所討論的擠壓螺桿砂帶磨削效率為6對/h,并且工人工作環(huán)境惡劣. 在實際應用中,可將兩只擠壓螺桿通過中心軸拼接成一對,并在兩端增設螺旋引流段,構成一個試驗組. 依據(jù)上述擠壓螺桿磨料流加工專用夾具,結合實驗室現(xiàn)有磨料流加工設備加工能力,設計一盤形夾具,該盤形夾具具有7個裝夾孔,則一次可裝夾7個試驗組,在螺旋引流段的保護下可實現(xiàn)每個擠壓螺桿高質高效光整加工,此時加工效率為10.5對/h. 因此,若將磨料流加工技術應用于擠壓螺桿的光整加工,能夠有效地提高擠壓螺桿螺旋面加工質量和加工效率,顯著改善工作環(huán)境．

3結論

為提高擠壓螺桿螺旋面光整加工質量和加工效率,本文提出將磨料流加工技術應用于擠壓螺桿螺旋面的光整加工,并開展了仿真與試驗研究,得到以下結論：

(1)建立了擠壓螺桿螺旋面磨料介質流動仿真模型,分析螺旋面磨料介質動力學特性發(fā)現(xiàn)：磨料介質靜壓力沿介質流動方向逐漸降低,其等值線近似沿螺旋槽寬度方向；磨料介質流線密度沿螺旋槽方向均勻性較好. 因此,磨料流加工能夠實現(xiàn)螺旋面的均勻化光整加工．

(2)為避免螺旋面進出口欠拋和因磨料介質直接沖擊導致的擠壓螺桿端面邊緣過拋,提出利用螺旋引流段對擠壓螺桿進行保護,仿真結果表明螺旋引流段不影響螺旋面磨料介質動力學特性分布的均勻性,且能將進出口回流轉移至引流段,并減少磨料介質對擠壓螺桿端面的直接沖擊,利于擠壓螺桿螺旋面的均勻性加工．

(3)基于課題組研制的磨料流加工設備和磨料介質,開展了磨料流加工試驗研究：經(jīng)磨料流加工后螺旋面表面粗糙度Ra在0.45 μm左右,均勻性和微觀形貌顯著優(yōu)于企業(yè)人工砂帶磨削的擠壓螺桿螺旋表面；根據(jù)現(xiàn)有設備加工能力,提出了具有螺旋引流段且可實現(xiàn)擠壓螺桿磨料流批量加工的夾具方案,可實現(xiàn)高于企業(yè)砂帶磨削擠壓螺桿的加工效率,改善工作環(huán)境．

仿真與試驗結果表明磨料流加工技術能適用于擠壓螺桿螺旋面的均勻化光整加工,研究結果也將為以螺旋面為功能表面的高性能復雜零件磨料流光整加工提供理論與試驗基礎．

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Simulations and experiments on finishing process of screw surface by using abrasive flow machining

GAO Hang,FU You-zhi,WANG Xuan-ping,PENG Can

(KeyLaboratoryforPrecisionandNon-traditionalMachiningTechnologyofMinistryofEducation,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

Abstract:Abrasive flow machining (AFM) was proposed to finish screw surface aiming at the problem of high capital cost and undefined surface quality on the finishing process of complex screw surface made of difficult-to-cut materials. The optimal fixture which is able to obtain uniform screw surface finish was selected based on the contrastive analyses of flow field distributions in two kinds of "fixture-screw" simulation models with and without helical guide blocks. On the basis, contrast tests were carried out to study the screw surface finish by using AFM and belt grinding process, and the research results show that the static pressure of abrasive media decreases along its flow direction, and the contour line of static pressure is along the width direction of screw surface; the backflow in the inlet/outlet regions is eliminated with helical guide blocks, namely, the uniformity of flow field is improved. After AFM process, the screw surface roughness value decreases from 10.5 μm to 0.45 μm, the minimum diameter of screw surface is basically constant, and the screw surface quality and processing efficiency by using AFM process are better than that of manual belt grinding.

Key words:screw surface; extrusion screw; abrasive flow machining; numerical simulation; surface quality

收稿日期：2015-04-13.浙江大學學報(工學版)網(wǎng)址： www.journals.zju.edu.cn/eng

基金項目：國家“973”重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2011CB706806);國家自然科學基金資助項目(51475074).

作者簡介：高航(1962-), 男, 教授, 從事精密與超精密加工和復合材料加工的教學與科研等研究. ORCID: 0000-0002-9560-7133. Email: gaohang@dlut.edu.cn

DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2016.05.015

中圖分類號：TG 580

文獻標志碼：A

文章編號：1008-973X(2016)05-0920-07